在萬(wàn)用計(jì)量系統(tǒng)中使用短距離無(wú)線

什么類型的短距離無(wú)線？

“短程無(wú)線”這個(gè)綽號(hào)涵蓋了廣泛的技術(shù)，包括WLAN，藍(lán)牙，ZigBee和專有無(wú)線技術(shù)。選擇哪一個(gè)取決于下面概述的兩個(gè)重要考慮因素。

許可與未許可

可能首先考慮的是使用未經(jīng)許可還是許可的頻譜。當(dāng)然，許可頻譜不是免費(fèi)的，而是提供了幾乎不受干擾的無(wú)線電環(huán)境的保證 - 幾乎是免費(fèi)的，因?yàn)槿藗冇肋h(yuǎn)無(wú)法解釋流氓用戶，盡管可以通過當(dāng)?shù)仉娦疟O(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行追索。許可頻段通常允許比未許可部分更高的輸出功率，這可以增加無(wú)線電鏈路的范圍。

頻譜的未經(jīng)許可部分，通常稱為ISM（工業(yè)，科學(xué)，醫(yī)療）頻段，一旦對(duì)輸出功率，雜散發(fā)射等進(jìn)行某些規(guī)定，就可以自由訪問無(wú)線電頻譜。都滿足了。雖然確實(shí)有越來越多的用戶在未經(jīng)許可的頻段，包括漫游WLAN用戶，藍(lán)牙，ZigBee和其他節(jié)點(diǎn)，但其中大部分集中在全球2.4 GHz和5.8 GHz ISM頻段。通過采用藍(lán)牙和ZigBee中使用的干擾恢復(fù)方案，即分別跳頻和擴(kuò)頻，可以在這些擁擠的頻段中工作?；蛘撸梢栽?a target="_blank">subGHz頻段中工作，由于全球頻段的不均勻性，這些頻段的使用較少。表 1 匯總了低于 1 GHz 的全球免許可頻段。

范圍

要考慮的第二個(gè)重要問題是范圍要求。較低的頻率往往會(huì)提供更好的范圍，因此許多計(jì)量公司出于這個(gè)原因正在尋求頻譜的subGHz區(qū)域。當(dāng)水表可以埋在混凝土下時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要，例如水表或遠(yuǎn)程儀表和收集器節(jié)點(diǎn)之間有障礙物的情況。

ZigBee旨在通過采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來繞過2.4 GHz固有的不良傳播質(zhì)量，在該網(wǎng)絡(luò)中，流量可以通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)跳躍到達(dá)其端點(diǎn)。如圖 2 所示。然而，這需要部署一定密度的節(jié)點(diǎn)來利用這種“多跳”，并且不能克服地下電表問題，因?yàn)槁窂綋p耗可能太高，路徑中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)法正確接收。許多ZigBee制造商試圖通過提供允許外部功率升壓級(jí)的參考設(shè)計(jì)來減少這個(gè)問題，但代價(jià)是電流消耗增加。

圖2.計(jì)量應(yīng)用中的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

許多射頻工程師使用確定性雙射線模型（DTR）來估計(jì)視線場(chǎng)景的通信范圍。這可以用作與其他解決方案進(jìn)行比較的基準(zhǔn)數(shù)字。例如，使用ADI公司的ADF7021（sub-GHz RF收發(fā)器），無(wú)需外部升壓級(jí)即可以+13 dBm或20 mW輸出。在 4.8 kbps 時(shí)，靈敏度為 –119 dBm，假設(shè)單位增益天線，則總鏈路預(yù)算為 132 dB。天線高度分別為 3 m 和 1 m，以模擬典型安裝，理論范圍為 3.4 km。這與使用ADF3測(cè)得的2.7021 km視距范圍非常吻合。當(dāng)然，墻壁和天花板會(huì)引入更多的路徑損耗，通常墻壁的損耗為10至15 dB，地板的損耗為12 dB至27 dB，具體取決于所使用的材料。即使插入40 dB損耗以考慮通過墻壁和天花板的傳播損耗，使用ADF200也能提供約7021 m的范圍，這對(duì)于大多數(shù)住宅來說應(yīng)該足夠了，無(wú)需中繼器。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

一些計(jì)量公司正在研究網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，特別是ZigBee的使用，以克服2.4 GHz下描述的一些傳播問題，并提供自我修復(fù)的元素，因?yàn)榱髁靠梢栽诠收匣虿换顒?dòng)節(jié)點(diǎn)周圍重新路由。迄今為止，在計(jì)量應(yīng)用中實(shí)施無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的公開案例很少。

然而，無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要中等規(guī)模的部署，以充分利用其開發(fā)人員吹捧的自我修復(fù)特性，這在某些拓?fù)錀l件下可能代價(jià)高昂。

或者，星形網(wǎng)絡(luò)提供更簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并允許使用動(dòng)態(tài)功率縮放等功能，其中數(shù)據(jù)集中器節(jié)點(diǎn)可以指示遠(yuǎn)程單元在接收器接收到過多信號(hào)強(qiáng)度時(shí)回退其輸出功率。這類似于在蜂窩系統(tǒng)中所做的，并且具有降低共同干擾水平（在自己的系統(tǒng)之間）的優(yōu)點(diǎn)，并且由于信號(hào)電平較低，電池壽命也可能延長(zhǎng)。這種方法被認(rèn)為很難在分布式網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。對(duì)于遠(yuǎn)程設(shè)備需要連接到數(shù)據(jù)集中器節(jié)點(diǎn)的萬(wàn)用計(jì)量應(yīng)用，星形網(wǎng)絡(luò)看起來很有吸引力，因?yàn)椴恍枰欣^器節(jié)點(diǎn)的額外成本。

電池壽命

通過定期打開設(shè)備電源并將其余時(shí)間用于超低功耗，可以顯著延長(zhǎng)短程設(shè)備系統(tǒng)的電池壽命。例如，ADF7021擁有100 nA的省電電流。雖然標(biāo)題接收和發(fā)送電流消耗數(shù)字對(duì)于估計(jì)系統(tǒng)的平均電池壽命很重要，但確保無(wú)線電分階段高效上電以最小化平均電流消耗也很重要。像Tadiran這樣的電池公司聲稱，他們的混合動(dòng)力電池可以延長(zhǎng)20年的電池壽命，因此節(jié)省的每一微庫(kù)侖對(duì)于實(shí)現(xiàn)多年運(yùn)行都很重要。

總結(jié)

對(duì)于已經(jīng)為AMR推出骨干通信網(wǎng)絡(luò)并希望通過連接到住宅環(huán)境中的其他電表（如燃?xì)獗砗退恚﹣砝矛F(xiàn)有投資的公用事業(yè)公司來說，萬(wàn)用計(jì)量系統(tǒng)似乎是一個(gè)有吸引力的解決方案。短距離無(wú)線，特別是sub-GHz無(wú)線，看起來非常適合這種解決方案，并引起了全球計(jì)量公司的極大興趣。ADI公司的ADF7021能夠在85 MHz至940 MHz范圍內(nèi)工作，因此只需極少的硬件和軟件更改即可在全球范圍內(nèi)用作解決方案。此外，其一流的靈敏度有助于實(shí)現(xiàn)范圍，即使遠(yuǎn)程單元被混凝土墻壁和地板擋在收集器節(jié)點(diǎn)的視線之外。有關(guān)更多信息，請(qǐng)?jiān)L問ADI公司網(wǎng)站上的ADF7021產(chǎn)品頁(yè)面。

審核編輯：郭婷